Reducing the Soft Error Rates of a High-Performance Microprocessor Using Front-End Throttling

Microprocessors are increasingly used in a variety of applications from small handheld calculators to multi-million dollar servers. With our increasing dependence on microprocessor-based systems, greater importance needs to be given not only to a processor's performance but also to its dependability. With each new technology generation, we witness a consistent increase in cosmically induced soft errors per chip. Earlier, only memory structures were affected significantly by soft errors. But today, most memories are well protected by error detection and correction codes. However, unprotected logic state elements, which were not a great concern in older technology generations, are increasingly becoming a concern due to the technology scaling trend. Although the fault rate per transistor has been remaining roughly the same across generations, the increasing number of transistors per chip is resulting in a steady increase in the raw error rates. Thus, the increased functionality and performance as dictated by Moore's Law comes at the cost of an exponentially increasing soft error rate. In our work, we present techniques to reduce a processor's soft error rate. We focus on one of the major contributors of the on-chip soft error rates - the Instruction Issue Queue(IQ), which is proven to have a significantly higher vulnerablility factor (32.7% as measured by our work) compared to other microarchitectural struc- tures like the register file (18.65%), re-order buffer (28%) and execution units (9%). Modern processors often aggressively fetch and decode instructions, in order to exploit as much parallelism as possible. However, this often results in instructions being fetched much earlier than necessary, causing valid instructions to reside in the vulnerable IQ for many needless cycles, waiting for dependencies to be resolved or to be squashed on a mis-speculation event. Additional ILP that may get exposed as a result of this aggressive front-end design, often does not result in any major performance benefits. We exploit this inefficiency by slowing down the front-end of the pipeline when it is not likely to affect the performance significantly. For this, we explore a set of reliability-aware front-end throttling schemes, to bring down the utilization of the IQ, and hence the soft error rates

Chapter One – An Overview of Architecture-Level Power- and Energy-Efficient Design Techniques

Power dissipation and energy consumption became the primary design constraint for almost all computer systems in the last 15 years. Both computer architects and circuit designers intent to reduce power and energy (without a performance degradation) at all design levels, as it is currently the main obstacle to continue with further scaling according to Moore's law. The aim of this survey is to provide a comprehensive overview of power- and energy-efficient “state-of-the-art” techniques. We classify techniques by component where they apply to, which is the most natural way from a designer point of view. We further divide the techniques by the component of power/energy they optimize (static or dynamic), covering in that way complete low-power design flow at the architectural level. At the end, we conclude that only a holistic approach that assumes optimizations at all design levels can lead to significant savings.Peer ReviewedPostprint (published version

Computational Sprinting: Exceeding Sustainable Power in Thermally Constrained Systems

Although process technology trends predict that transistor sizes will continue to shrink for a few more generations, voltage scaling has stalled and thus future chips are projected to be increasingly more power hungry than previous generations. Particularly in mobile devices which are severely cooling constrained, it is estimated that the peak operation of a future chip could generate heat ten times faster than than the device can sustainably vent. However, many mobile applications do not demand sustained performance; rather they comprise short bursts of computation in response to sporadic user activity. To improve responsiveness for such applications, this dissertation proposes computational sprinting, in which a system greatly exceeds sustainable power margins (by up to 10Ã?) to provide up to a few seconds of high-performance computation when a user interacts with the device. Computational sprinting exploits the material property of thermal capacitance to temporarily store the excess heat generated when sprinting. After sprinting, the chip returns to sustainable power levels and dissipates the stored heat when the system is idle. This dissertation: (i) broadly analyzes thermal, electrical, hardware, and software considerations to analyze the feasibility of engineering a system which can provide the responsiveness of a plat- form with 10Ã? higher sustainable power within today\u27s cooling constraints, (ii) leverages existing sources of thermal capacitance to demonstrate sprinting on a real system today, and (iii) identifies the energy-performance characteristics of sprinting operation to determine runtime sprint pacing policies

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Parallel architectures and runtime systems co-design for task-based programming models

The increasing parallelism levels in modern computing systems has extolled the need for a holistic vision when designing multiprocessor architectures taking in account the needs of the programming models and applications. Nowadays, system design consists of several layers on top of each other from the architecture up to the application software. Although this design allows to do a separation of concerns where it is possible to independently change layers due to a well-known interface between them, it is hampering future systems design as the Law of Moore reaches to an end. Current performance improvements on computer architecture are driven by the shrinkage of the transistor channel width, allowing faster and more power efficient chips to be made. However, technology is reaching physical limitations were the transistor size will not be able to be reduced furthermore and requires a change of paradigm in systems design. This thesis proposes to break this layered design, and advocates for a system where the architecture and the programming model runtime system are able to exchange information towards a common goal, improve performance and reduce power consumption. By making the architecture aware of runtime information such as a Task Dependency Graph (TDG) in the case of dataflow task-based programming models, it is possible to improve power consumption by exploiting the critical path of the graph. Moreover, the architecture can provide hardware support to create such a graph in order to reduce the runtime overheads and making possible the execution of fine-grained tasks to increase the available parallelism. Finally, the current status of inter-node communication primitives can be exposed to the runtime system in order to perform a more efficient communication scheduling, and also creates new opportunities of computation and communication overlap that were not possible before. An evaluation of the proposals introduced in this thesis is provided and a methodology to simulate and characterize the application behavior is also presented.El aumento del paralelismo proporcionado por los sistemas de cómputo modernos ha provocado la necesidad de una visión holística en el diseño de arquitecturas multiprocesador que tome en cuenta las necesidades de los modelos de programación y las aplicaciones. Hoy en día el diseño de los computadores consiste en diferentes capas de abstracción con una interfaz bien definida entre ellas. Las limitaciones de esta aproximación junto con el fin de la ley de Moore limitan el potencial de los futuros computadores. La mayoría de las mejoras actuales en el diseño de los computadores provienen fundamentalmente de la reducción del tamaño del canal del transistor, lo cual permite chips más rápidos y con un consumo eficiente sin apenas cambios fundamentales en el diseño de la arquitectura. Sin embargo, la tecnología actual está alcanzando limitaciones físicas donde no será posible reducir el tamaño de los transistores motivando así un cambio de paradigma en la construcción de los computadores. Esta tesis propone romper este diseño en capas y abogar por un sistema donde la arquitectura y el sistema de tiempo de ejecución del modelo de programación sean capaces de intercambiar información para alcanzar una meta común: La mejora del rendimiento y la reducción del consumo energético. Haciendo que la arquitectura sea consciente de la información disponible en el modelo de programación, como puede ser el grafo de dependencias entre tareas en los modelos de programación dataflow, es posible reducir el consumo energético explotando el camino critico del grafo. Además, la arquitectura puede proveer de soporte hardware para crear este grafo con el objetivo de reducir el overhead de construir este grado cuando la granularidad de las tareas es demasiado fina. Finalmente, el estado de las comunicaciones entre nodos puede ser expuesto al sistema de tiempo de ejecución para realizar una mejor planificación de las comunicaciones y creando nuevas oportunidades de solapamiento entre cómputo y comunicación que no eran posibles anteriormente. Esta tesis aporta una evaluación de todas estas propuestas, así como una metodología para simular y caracterizar el comportamiento de las aplicacionesPostprint (published version